Гелий

Гелий (лат. Helium), He (читается «гелий»), химический элемент с атомным номером 2, атомная масса 4,002602. Относится к группе инертных, или благородных, газов (группа VIIIA периодической системы).

Природный гелий состоит из двух стабильных нуклидов: 3Не (0,00013% по объему) и 4Не. Почти полное преобладание гелия-4 связано с образованием ядер этого нуклида при радиоактивном распаде урана (U), тория (Th), радия (Ra) и других атомов, происходившем в течение длительной истории Земли.

Радиус нейтрального атома гелия 0,122 нм. Электронная конфигурация нейтрального невозбужденного атома 1s2. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома равны, соответственно, 24,587 и 54,416 эВ (у атома гелия самая высокая среди нейтральных атомов всех элементов энергия отрыва первого электрона).

Простое вещество гелий — легкий одноатомный газ без цвета, вкуса, запаха.

Свойства: гелий — легкий негорючий газ, плотность газообразного гелия при нормальных условиях 0,178 кг/м3 (меньше только у газа водорода (H)). Температура кипения гелия (при нормальном давлении) около 4,2 К (или 268,93°C, это — самая низкая температура кипения).

При нормальном давлении жидкий гелий не удается превратить в твердое вещество даже при температурах, близких к абсолютному нулю (0К). При давлении около 3,76 МПа температура плавления гелия 2,0К. Наименьшее давление, при котором наблюдается переход жидкого гелия в твердое состояние — 2,5МПа (25 ат), температура плавления гелия при этом около 1,1 К (–272,1°C).

В 100 мл воды при 20°C растворяется 0,86 мл гелия, в органических растворителях его растворимость еще меньше. Легкие молекулы гелия хорошо проходят (диффундируют) через различные материалы (пластмассы, стекло, некоторые металлы).

Для жидкого гелия-4, охлажденного ниже –270,97°C, наблюдается ряд необычных эффектов, что дает основание рассматривать эту жидкость как особую, так называемую квантовую, жидкость. Эту жидкость обычно обозначают как гелий-II в отличие от жидкого гелия-I — жидкости, существующей при чуть более высоких температурах. Температура перехода гелия-I в гелий-II равна 2,186 К. Эту температуру часто называют l-точкой.

Жидкий гелий-II способен быстро проникать через мельчайшие отверстия и капилляры, не обнаруживая при этом вязкости (так называемая сверхтекучесть жидкого гелия-II). Кроме того, пленки гелия-II быстро перемещаются по поверхности твердых тел, в результате чего жидкость быстро покидает тот сосуд, в который она была помещена. Это свойство гелия-II называют сверхползучестью. Сверхтекучесть гелия-II открыта в 1938 году советским физиком П. Л. Капицей (Нобелевская премия по физике, 1978 год). Объяснение уникальным свойствам гелия-II дано другим советским физиком Л. Д. Ландау в 1941-1944 годах (Нобелевская премия по физике, 1962 год).

Никаких химических соединений гелий не образует. Правда, в разреженном ионизированном гелии удается обнаружить достаточно устойчивые двухатомные ионы Не2+.

История открытия и название: открытие гелия началось с 1868 года, когда при наблюдении солнечного затмения астрономы француз П. Ж. Жансен и англичанин Д. Н. Локьер независимо друг от друга обнаружили в спектре солнечной короны желтую линию (она получила название D3-линии), которую нельзя было приписать ни одному из известных в то время элементов. В 1871 Локьер объяснил ее происхождение присутствием на Солнце нового элемента. В 1895 году англичанин У. Рамзай выделил из природной радиоактивной руды клевеита газ, в спектре которого присутствовала та же D3-линия. Новому элементу Локьер дал имя, отражающее историю его открытия (греч. Helios — солнце). Поскольку Локьер полагал, что обнаруженный элемент — металл, он использовал в латинском названии элемента окончание «lim» (соответствует русскому окончанию «ий»), которое обычно употребляем в названии металлов. Таким образом, гелий задолго до своего открытия на Земле получил имя, которое окончанием отличает его от названий остальных инертных газов.

Нахождение в природе: в атмосферном воздухе содержание гелия очень мало и составляет около 5,27·10–4% по объему. В земной коре его 0,8·10–6%, в морской воде — 4·10–10%. Источником гелия служат нефть и гелионосные природные газы, в которых содержание гелия достигает 2-3%, а в редких случаях и 8-10% по объему. Зато в космосе гелий — второй по распространенности элемент (после водорода (H)): на его долю приходится 23% космической массы.

Получение: в настоящее время гелий выделяют из природных гелионосных газов, пользуясь методом глубокого охлаждения (гелий снимается труднее всех остальных газов). Месторождения таких газов имеются в России, США, Канаде и ЮАР. Гелий содержится также в некоторых минералах (монаците, торианите и других), при этом из 1 кг минерала при нагревании можно выделить до 10 л гелия.

Применение: гелий используют для создания инертной и защитной атмосферы при сварке, резке и плавке металлов, при перекачивании ракетного топлива, для заполнения дирижаблей и аэростатов, как компонент среды гелиевых лазеров. Жидкий гелий, самая холодная жидкость на Земле, — уникальный хладагент в экспериментальной физике, позволяющий использовать сверхнизкие температуры в научных исследованиях (например, при изучении электрической сверхпроводимости). Благодаря тому, что гелий очень плохо растворим в крови, его используют как составную часть искусственного воздуха, подаваемого для дыхания водолазам. Замена азота (N) на гелий предотвращает кессонную болезнь (при вдыхании обычного воздуха азот под повышенным давлением растворяется в крови, а затем выделяется из нее в виде пузырьков, закупоривающих мелкие сосуды).